JP2005210072A - 光ファイバおよび広帯域光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】波長帯域を拡げることができる光ファイバおよび広帯域光増幅器を提供する。
【解決手段】 ビスマス（Ｂｉ）をドープした石英ガラス［ｘＢｉ₂ Ｏ₃ −ｙＡｌ₂ Ｏ₃ −（１−ｘ−ｙ）ＳｉＯ₂ ］であって、モル比でＢｉ₂ Ｏ₃ が０．１から１０．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２から２０％で、かつｘ＜ｙである材料に、希土類元素のエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）のうち、１種以上をモル％で０．０１〜１０％含有した広帯域光増幅器用光ファイバを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバおよび広帯域光増幅器に係り、特に、０．８μｍの光で励起し、１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯の信号光増幅を兼用できる石英系光ファイバおよび広帯域光増幅器に関するものである。

社会全体に張り巡らされたネットワークを通じて大量の情報が飛び交う時代にあって光ファイバは基幹技術であり、その長距離伝送には光信号を増幅するために光ファイバ増幅器が用いられる。このような分野の従来技術として、Ｅｒ（エルビウム）やＴｍ（ツリウム）をドープした１．５５μｍ帯の光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ，ＴＤＦＡ）（下記特許文献１，２参照）や、Ｎｄ（ネオジウム）やＰｒ（プラセオジム）をドープした１．３μｍ帯用光増幅器（下記特許文献３，４参照）があるが、両帯域を増幅したい場合は別々に増幅器を設置する必要があるため、システムが大きくなる。

一方、また、本願発明者等は、０．８μｍ帯で励起可能なＢｉ（ビスマス）をドープした１．３μｍ帯用石英系ガラスを既に提案している（下記特許文献５，６参照）。
特許第２７４２３０９号公報 特許第２５９６６２０号公報 特開平０１−０９４３２９号公報 特開平０５−０６３２８４号公報 特開平１１−０２９３３４号公報 特開２００２−２５２３９７号公報

そこで、本願発明者らは、さらに研究開発をすすめて、そのＢｉ材料をベースとして、希土類元素を添加することにより、波長帯域を拡げることに成功した。

また、インターネットの爆発的な普及に代表されるように、最近の情報通信技術の進歩はめざましいものがある。従来は、音声を通信するのみであったものが、静止画像、さらには動画というように映像主体の情報通信へと進展し、ますます、情報通信量の増加が望まれている。そのような情報通信量の増加は、人々の生活の豊かさと密接に結びついている。

光通信におけるＷＤＭ（波長多重通信）技術は情報通信量の増加に多大な寄与をしてきた。特に、Ｅｒドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、その中心となるべき光増幅器である。近年、ＥＤＦＡの増幅帯域（１５４０−１６２０ｎｍ）にＴｍをレーザー活性核としたＴｍドープ光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）を併用することで、その増幅帯域を２００ｎｍ弱まで増大させる技術が発展してきた。

しかるに、先に挙げたように、情報通信量の増加は人々の暮らしの豊かさを示すものであるため、今後、光増幅器の増幅帯域幅のさらなる拡大に対する要求が出てくるものと考えられる。これまでの研究では、１．３μｍ帯においてＰｒを発光核としたフッ化物ファイバや、ラマン増幅器が研究されてきたが、それぞれ、ファイバの融着、効率等の問題がある。また、Ｐｒはシリカガラス中にドープすると、マルチフォノンにより失活が起こり、発光しなくなるという問題があった。

従って、従来ＥＤＦＡやＴＤＦＡにＰｒを共ドープしたレーザー媒質は存在せず、また、それぞれ別々の増幅器による複合型の増幅システムも存在しなかった。

このような背景に従えば、新しいレーザー活性核を用いた超広帯域光増幅媒質、およびそのシステムが必要不可欠である。

このように、本発明は、上記状況に鑑みて、さらに波長帯域を拡げることができる光ファイバおよび広帯域光増幅器を提供することを目的とする。

〔１〕光ファイバにおいて、Ｂｉをドープした石英ガラス［ｘＢｉ₂ Ｏ₃ −ｙＡｌ₂ Ｏ₃ −（１−ｘ−ｙ）ＳｉＯ₂ ］であって、モル比でＢｉ₂ Ｏ₃ が０．１から１０．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２から２０％で、かつ、ｘ＜ｙである材料に、希土類元素のうち、１種以上をモル％で０．０１〜１０％含有したことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の光ファイバにおいて、前記希土類元素がＥｒであることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の光ファイバにおいて、前記希土類元素がＮｄであることを特徴とする。

〔４〕広帯域光増幅器において、上記〔１〕記載の光ファイバにおいて、前記希土類元素がＴｍであることを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の光ファイバにおいて、更に前記希土類元素であるＥｒを含むことを特徴とする。

〔６〕広帯域光増幅器であって、上記〔１〕〜〔５〕の何れか一項記載の光ファイバを用い、０．８μｍの光で励起し、１．３μｍ帯と希土類元素の種類に応じた発光波長帯域の信号光の増幅を同時に行うことを特徴とする。

〔７〕上記〔６〕記載の広帯域光増幅器において、前記希土類元素の種類に応じた発光波長帯域が、Ｅｒの発光波長帯域である１．５５μｍ帯であることを特徴とする。

〔８〕上記〔６〕記載の広帯域光増幅器において、前記希土類元素の種類に応じた発光波長帯域が、Ｎｄの発光波長帯域である０．９μｍ帯及び１．０６μｍ帯であることを特徴とする。

〔９〕上記〔６〕記載の広帯域光増幅器において、前記希土類元素の種類に応じた発光波長帯域が、Ｔｍの発光波長帯域である１．４９μｍ帯であることを特徴とする。

（１）光増幅が可能な波長帯域を拡げることができる広帯域光増幅器用光ファイバを提供することができる。

（２）０．８μｍ励起光で励起し、１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯の信号光増幅を兼用できる石英系広帯域光増幅器を得ることができ、１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯の信号光増幅を単一の増幅器で達成することができるため、システムを簡便にすることができる。

（３）商用の０．８μｍ帯の半導体励起光源を利用することができる。

（４）既存の伝送路に用いられている石英系ファイバとの整合性にも優れている。

（５）Ｂｉ−Ｔｍドープシリカファイバとすることにより、その発光波長帯域を１．４９μｍ帯とすることができる。

（６）Ｂｉ−Ｔｍ−Ｅｒドープシリカファイバからなる二元希土類元素で構成することもできる。

ビスマス（Ｂｉ）をドープした石英ガラス［ｘＢｉ₂ Ｏ₃ −ｙＡｌ₂ Ｏ₃ −（１−ｘ−ｙ）ＳｉＯ₂ ］であって、モル比でＢｉ₂ Ｏ₃ が０．１から１０．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２から２０％で、かつｘ＜ｙである材料に、希土類元素のエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）のうち、１種以上をモル％で０．０１〜１０％含有した広帯域光増幅器用光ファイバである。この光ファイバでは、利用し易い０．８μｍ帯の半導体レーザ励起により、１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯の信号光増幅が単一の増幅器でなされる。その製法は各酸化物粉末を混合し、焼結する方法である。希土類元素としては、特にＥｒが好適である。また、既存の伝送路に用いられている石英系ファイバとの整合性にも優れている。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

まず、本発明では、ビスマス（Ｂｉ）をドープした石英ガラス［ｘＢｉ₂ Ｏ₃ −ｙＡｌ₂ Ｏ₃ −（１−ｘ−ｙ）ＳｉＯ₂ ］であって、モル比でＢｉ₂ Ｏ₃ が０．１から１０．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２から２０％で、かつｘ＜ｙである材料に、希土類酸化物を１種以上、モル％で０．０１〜１０％含有した広帯域光増幅器用光ファイバを得るようにしている。

図１はその広帯域光増幅器用光ファイバサンプルの製造フローチャートである。

（１）原料として酸化ビスマス、酸化アルミニウム、酸化珪素、希土類酸化物を使用し、その使用する粒子の粒径は２〜３μｍ以下のものを準備する。

（２）酸化ビスマス、酸化アルミニウム、酸化珪素、希土類酸化物を上記した目的の配合比にて混合する。

（３）上記の混合物に、水またはエタノールを滴下し、アルミナ製の乳鉢、もしくはボールミルにてスラリーを形成する。

（４）十分に均一に混合されたスラリーをビーカーなどの容器に移し、乾燥機にて１００℃以上にて乾燥させる。

（５）乾燥した粉末を、アルミナの坩堝に移し、蓋をして１７５０℃にて１０時間焼結し、サンプルを得る。なお、アルミナの坩堝には、冷却時の線膨張係数の違いにより、サンプル内部に亀裂が入ることがあるため、あらかじめ、坩堝表面に傷を入れておくことが望ましい。

次に、本発明において、ビスマス（Ｂｉ）をドープした石英ガラス［ｘＢｉ₂ Ｏ₃ −ｙＡｌ₂ Ｏ₃ −（１−ｘ−ｙ）ＳｉＯ₂ ］であってモル比でＢｉ₂ Ｏ₃ が０．１から１０．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２から２０％で、かつｘ＜ｙである材料に、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）のうち、１種以上をモル％で０．０１〜１０％含有して広帯域光増幅器用光ファイバを得るようにしている。

この光ファイバでは、利用し易い０．８μｍ帯の半導体レーザ励起により、１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯の信号光増幅を単一の増幅器で実現することができる。その製造方法は、図１のフローチャートに示したように、各酸化物粉末を混合し、焼結する方法である。

希土類元素としては特にＥｒが好適である。

図２は本発明の実施例を示すＥｒ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図（その１）であり、励起光８０８ｎｍでの発光特性を示している。

ここでは、各酸化物粉末（高純度化学研究所製）はＥｒ₂ Ｏ₃ ：Ｂｉ₂ Ｏ₃ ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ であり、モル比で０．１：１．０：７．０：９１．９（重量比で０．６：６．９：１０．６：８１．９）に秤量し、総量は１０ｇである。粒子の粒径は２〜３μｍが好ましい。

この図から分かるように、モル比でＥｒ₂ Ｏ₃ が０．１％、Ｂｉ₂ Ｏ₃ が１．０％で作製したガラスの発光特性は１３００ｎｍ帯と１５５０ｎｍ帯に二つの山（図中のａはＢｉの発光、ｂはＥｒの発光）を示している。また、既存の伝送路に用いられている石英系ファイバとの整合性にも優れている。

図３は本発明の実施例を示すＥｒ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図（その２）であり、励起光８０８ｎｍでの発光特性を示している。

上記した図２とはＥｒの組成比を変更した。すなわち、各酸化物粉末はＥｒ₂ Ｏ₃ ：Ｂｉ₂ Ｏ₃ ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ であり、モル比で１：０．５：３．５：９５．９（重量比で０．６：３．６５：５．６：９０．１５）に秤量、総量は１０ｇである。

その他は図２と同様である。

この図から明らかなように、このガラス光ファイバの発光特性はＢｉの発光が１２３０ｎｍ帯、Ｅｒの発光が１５３０ｎｍ帯に山を示している。

図４は本発明の実施例を示すＥｒ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図（その３）であり、励起光８０８ｎｍでの発光特性を示している。

上記した図２および図３とはＥｒの組成比を変更した。すなわち、各酸化物粉末は、Ｅｒ₂ Ｏ₃ ：Ｂｉ₂ Ｏ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ であり、モル比で２．０：１．０：７．０：９５．８（重量比で１．１：６．９：１０．６：８１．４）に秤量し、総量は１０ｇである。

図５は本発明の他の実施例を示すＮｄ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図である。

ここでは、各酸化物粉末は、Ｎｄ₂ Ｏ₃ ：Ｂｉ₂ Ｏ₃ ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ であり、モル比で０．２５：０．２５：３．０：９６．５（重量比で１．３：１．９：４．９：９１．９）に秤量し、総量は１０ｇである。

この図から明らかなように、このガラスの発光特性は９００ｎｍ帯と１０６０ｎｍ帯に二つの山を示している。なお、図中ａはＮｄの蛍光相当分、ｂはＢｉの蛍光相当分を示している。

図６は従来の光ファイバによる光増幅器と本発明の広帯域光増幅器用光ファイバによる広帯域光増幅器の構成を示す模式図である。

この図において、図６（ａ）は従来の光ファイバによる光増幅器の模式図、図６（ｂ）は本発明の広帯域光増幅器用光ファイバによる広帯域光増幅器である。

従来の場合は、図６（ａ）に示すように、１．５５μｍの被増幅光１が、０．９８μｍ励起のＥｒ光増幅器２で増幅されて１．５５μｍの増幅光３となる。

また、１．３μｍの被増幅光１１が０．８μｍ励起のＥｒ光増幅器１２で増幅されて１．３μｍの増幅光１３となる（本願発明者等によるＢｉドープシリカファイバ：上記特許文献１参照）。このように二種類の光増幅器２，１２が必要になる。

これに対して、本発明によれば、図６（ｂ）に示すように、１．３μｍ＋１．５５μｍ被増幅光２１が０．８μｍ励起のＢｉ−Ｅｒ光増幅器２２で増幅されて１．３＋１．５５μｍの増幅光２３となる。

このように、本発明によれば、広帯域光増幅器用光ファイバのＥｒとＢｉの両方が同一励起波長０．８μｍ（８０８ｎｍ）で同時に発光することになり、単一の光増幅器で、１．３μｍと１．５５μｍの増幅が可能となり、システムの簡素化を図ることができる。

図７は本発明の実施例を示す増幅実験系の模式図である。

この図において、３１は励起用のＬＤ（レーザーダイオード）（８１０ｎｍ）、３２は第１のプローブ用のＬＤ（１３１０ｎｍ）、３３は第２のプローブ用のＬＤ（１５５０ｎｍ）、３４〜３６はＬＤ３１〜ＬＤ３３の反射ミラー、３７はＬＤ３２からの反射光をさらに他の反射光に重ねるための反射ミラー、３８はＬＤ３３からの反射光をさらに他の反射光に重ねるためのハーフミラー、３９はＬＤ３１からの反射光をさらに他の反射光に重ねるためのハーフミラー、４０はレンズ（焦点距離ｆ＝１００ｍｍ）、４１はサンプルであり、このサンプル４１は、ＢｉとＥｒを共添加したサンプル（Ｂｉ₂ Ｏ₃ ：Ｅｒ₂ Ｏ₃ ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ ＝１ｍｏｌ％：０．１ｍｏｌ％：７ｍｏｌ％：９１．９ｍｏｌ％）である。４２はサンプル４１の下流に配置されるフィルタ（８００ｎｍを超過する光を透過）、４３は検出器である。

このように、ＢｉとＥｒを共添加したサンプルを、図７に示すように、サンプル４１の位置に置き、プローブ用のＬＤ３２（１３１０ｎｍ）とＬＤ３３（１５５０ｎｍ）と励起用のＬＤ３１（８１０ｎｍ）を、ミラーの背面から重畳する手法で、３ビームを１軸に重ねた。その重ねたビームをレンズ４０（焦点距離１００ｍｍ）にてサンプル４１表面に集光しその後の出射光を検出器４３に入れて、１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍのそれぞれの増幅率を測定した。サンプル４１の厚みは９．２ｍｍである。

図８はその増幅実験結果を示す図であり、図８（ａ）は出力（パワー）／励起（ポンプ）に対する利得（ゲイン）を示し、図８（ｂ）は出力（パワー）／励起（ポンプ）に対する利得（ゲイン）係数を示している。

この図から明らかなように、Ｂｉ（１３００ｎｍ）は最大１．４４倍、Ｅｒ（１５５０μｍ）は最大１．６６倍の同時増幅（０．４８Ｗ励起）を得ることに成功した。このときの利得係数はそれぞれ、０．３９，０．５５ｃｍ^-1であった。 図９は本発明にかかるスペクトルアナライザの出力波形を示す図である。図９（ａ）は励起なし、図９（ｂ）は励起ありである。両図の比較から、明らかな増幅が得られていることが示されている。

なお、上記したように本発明では（１）Ｂｉ−Ｅｒ（１．５５μｍ帯）ドープシリカファイバをサンプルとすることができるが、これに限定されるものではなく、（２）Ｂｉ−Ｔｍ（１．４９μｍ帯）ドープシリカファイバ、（３）Ｂｉ−Ｔｍ−Ｅｒドープシリカファイバを用いるようにしてもよい。

図１０は各元素の蛍光スペクトル（Ｂｉ，Ｅｒ，Ｔｍについては、帯域のみを示している）と石英シングルモードファイバの損失、零分散波長との関係を示す図であり、下横軸は波長〔μｍ〕、左縦軸はスペクトル強度〔相対単位〕、右縦軸は損失〔ｄＢ／ｋｍ〕（図中、破線）を示している。

この図において、点線はＥＤＦＡの蛍光スペクトル、実線はＢｉドープシリカガラスの蛍光スペクトル、破線はシリカガラスファイバーの損失曲線、１．４５μｍ〜１．５２μｍの領域はＴＤＦＡの増幅帯域を示す。Ｂｉ−Ｅｒシリカファイバは、励起光源を０．８μｍとして、２つの帯域の増幅を可能とすることができる。

図１０から明らかなように、単一のコアファイバにＢｉを含む多核元素をドープし複合帯域増幅器を構成することで、ＥＤＦＡ（Ｅｒスペクトル範囲が増幅範囲に相当）のおよそ５−６倍のＷＤＭ技術に発展可能である。また、同一コアファイバ中に、多核元素をドープすることは、増幅システムのコンパクト化に寄与する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の光ファイバおよび広帯域光増幅器は、光増幅器、光通信技術、ＷＤＭ（波長多重通信）技術に適している。

広帯域光増幅器用光ファイバサンプルの製造フローチャートである。 本発明の実施例を示すＥｒ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図（その１）である。 本発明の実施例を示すＥｒ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図（その２）である。 本発明の実施例を示すＥｒ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図（その３）である。 本発明の他の実施例を示すＮｄ−Ｂｉがドープされたガラス（ＳｉＯ₂ ）光ファイバの波長に対する発光強度特性図である。 従来の光ファイバによる光増幅器と本発明の広帯域光増幅器用光ファイバによる広帯域光増幅器の構成を示す模式図である。 本発明の実施例を示す増幅実験系の模式図である。 図７の増幅実験結果を示す図である。 本発明にかかるスペクトルアナライザの出力波形を示す図である。 各元素の蛍光スペクトル（Ｂｉ，Ｅｒ，Ｔｍについては帯域のみを表示）と石英シングルモードファイバーの損失、零分散波長との関係を示す図である。

符号の説明

１ １．５５μｍの被増幅光
２ ０．９８μｍ励起のＥｒ光増幅器
３ １．５５μｍの増幅光
１１ １．３μｍの被増幅光
１２ ０．８μｍ励起のＥｒ光増幅器
１３ １．３μｍの増幅光
２１ １．３μｍ＋１．５５μｍ被増幅光
２２ ０．８μｍ励起のＢｉ−Ｅｒ光増幅器
２３ １．３＋１．５５μｍの増幅光
３１ 励起用のＬＤ（レーザーダイオード）（８１０ｎｍ）
３２ 第１のプローブ用のＬＤ（１３１０ｎｍ）
３３ 第２のプローブ用のＬＤ（１５５０ｎｍ）
３４，３５，３６，３７ 反射ミラー
３８，３９ ハーフミラー
４０ レンズ
４１ サンプル
４２ フィルタ
４３ 検出器

Claims (9)

1. Ｂｉをドープした石英ガラス［ｘＢｉ₂ Ｏ₃ −ｙＡｌ₂ Ｏ₃ −（１−ｘ−ｙ）ＳｉＯ₂ ］であって、モル比でＢｉ₂ Ｏ₃ が０．１から１０．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２から２０％で、かつ、ｘ＜ｙである材料に、希土類元素のうち、１種以上をモル比で０．０１〜１０％含有したことを特徴とする光ファイバ。
2. 請求項１記載の光ファイバにおいて、前記希土類元素がＥｒであることを特徴とする光ファイバ。
3. 請求項１記載の光ファイバにおいて、前記希土類元素がＮｄであることを特徴とする光ファイバ。
4. 請求項１記載の光ファイバにおいて、前記希土類元素がＴｍであることを特徴とする光ファイバ。
5. 請求項４記載の光ファイバにおいて、更に前記希土類元素であるＥｒを含むことを特徴とする光ファイバ。
6. 請求項１〜５の何れか一項記載の光ファイバを用い、０．８μｍの光で励起し、１．３μｍ帯と希土類元素の種類に応じた発光波長帯域の信号光の増幅を同時に行うことを特徴とする広帯域光増幅器。
7. 請求項６記載の広帯域光増幅器において、前記希土類元素の種類に応じた発光波長帯域が、Ｅｒの発光波長帯域である１．５５μｍ帯であることを特徴とする広帯域光増幅器。
8. 請求項６記載の広帯域光増幅器において、前記希土類元素の種類に応じた発光波長帯域が、Ｎｄの発光波長帯域である０．９μｍ帯及び１．０６μｍ帯であることを特徴とする広帯域光増幅器。
9. 請求項６記載の広帯域光増幅器において、前記希土類元素の種類に応じた発光波長帯域が、Ｔｍの発光波長帯域である１．４９μｍ帯であることを特徴とする広帯域光増幅器。